Permanecer frío a 3.300ºC y llegar al 99% de eficiencia: la "magia" y los números de los motores para cohetes espaciales

Llevar un objeto fuera de la estratosfera, luchar contra la gravedad sin que todo salga por los aires y batir fronteras cada vez más lejanas no es algo sencillo, sobre todo si además buscamos reutilizar los cohetes espaciales. No cabe duda de que sus propulsores son potentísimos, pero además hay algunas particularidades de los motores para cohetes que además de espaciales los hacen especiales.

En su día echamos la vista atrás para recordar once lanzamientos con sus imágenes, observando lo espectacular del proceso en cada ocasión. Ahí ya pasábamos por encima de la evolución que esto ha experimentado en 70 años, y es que además de la forma y diseño de los cohetes su uso ha variado y los motores han tenido mejorar también en paralelo.

Potencia, frío, calor y presión, todo a la vez y todo muy bestia

Hace poco os hacíamos jugar a los motores, aunque no precisamente los que participan en un lanzamiento de cohetes. Lo hacíamos con un simpático simulador de la misión InSight, que ya posa sobre Marte (también su sismómetro) y con lo que os retábamos a rescatar la física del instituto para recordar la fuerza gravitatoria, el momento angular y todo lo que hay que calcular para que la propulsión fuese la adecuada para posar la sonda sobre Marte, y no explotarla o perderla en la inmensidad cósmica.

De propulsión habla la propia NASA al explicar los sistemas que vemos en cohetes o aviones a reacción, también refrescándonos aquella física y en concreto la dinámica newtoniana. Toda propulsión se genera por alguna aplicación de la tercera ley de Newton, es decir, por cada acción hay una reacción, y en esta otra página podemos ver una animación de los componentes de un motor básico de avión a reacción: el compresor, la turbina, los rotores, la boquilla, la cual se encarga de acelerar el gas caliente para producir la propulsión.

Y una vez hechas las presentaciones, es interesante saber algunas particularidades de los motores y cómo han influido las nuevas necesidades en los cambios que se han realizado en ellos, como el hecho de que los cohetes ahora estén pensados para ser reutilizados. Parte de esto lo cuenta Steven Siceloff, del Centro John F. Kennedy de la NASA.

La temperatura que alcanza un motor espacial puede llegar a los 3.300 grados centígrados, pero esa boquilla que veíamos antes permanece fría, en ocasiones llega a crearse escarcha sobre ella incluso. De hecho, la tecnología de la boquilla junto a otras han sido clave para que los cohetes puedan reutilizarse, como decíamos antes, siendo ejemplos las siguientes:

• Un ordenador que es capaz de realizar 50 tests de salud por segundo al motor usando datos de 200 sensores.
• Una turbobomba de hidrógeno que hace girar 567 veces por segundo las turbinas generando 700 caballos de potencia.
• Un sistema de tuberías que aguanta presiones de más de 475 atmósferas.
• Un diseño eficiente y compacto que produce ocho veces la propulsión de un motor de avión a reacción moderno.
• Una cámara de combustión tan fuerte como para resistir la explosión de 970 kilogramos de oxígeno y 74 kilogramos de hidrógeno cada segundo, de manera continua durante ocho minutos y medio.

Con estas innovaciones además se consigue que el motor de un cohete alcance una eficiencia de más del 99,9%, lo que significa que casi la totalidad de oxígeno e hidrógeno se usan para crear esa propulsión. Esto choca bastante con el dato que cita Siceloff acerca del motor de un automóvil, hablando de que éste logra alrededor de un tercio de la eficiencia del espacial (hay mucha energía que se desprende en forma de calor y esto no gira las ruedas, aclara).

Lo que añade Stephen Prescott, ingeniero especializado de Pratt & Whitney Rocketdyne, es que al parecer se lleva la fama la boquilla, que es la parte visible del motor (ésa de la que salen las llamas) pero en realidad "la acción" ocurre en la parte frontal del motor, en un laberinto de maquinaria llamado cabeza motriz. Explica Prescott que es esta parte la que suministra la propulsión, aunque la boquilla permite acumularla.

Una mejora para otros planetas que no debería olvidar éste

Lo que explica además es que había un plus de dificultad en el diseño de motores antes de los setenta, es decir, de la llegada de la computación en cuestión de esta disciplina. Es decir, que para misiones como la Apollo 11 (que nos llevaba a la Luna en 1969) no se contaba con softwares de diseño y se tiraba de cálculos, reglas y todo lo que pudieron aprender de la construcción de grandes motores para el cohete Saturno V, un trabajo que recuerda al estudio de Christine Darden acerca del sonic boom, en un principio también sin ordenadores.

Lo que vimos hace poco con relación a esto es el sistema para controlar la temperatura y la energía en un lanzamiento, para el cual se lanzan más de 1.700.000 litros de agua en un minuto. De este modo protegen tanto la nave como la plataforma y el resto e estructura de ese ambiente extremo a nivel de temperatura y acústica.

Aunque lo que habría que seguir investigando es si tanto lanzamiento, por eficiente que sea, al final está teniendo parte de responsabilidad en el calentamiento global. Algo que también planteamos hace poco tras haberse publicado un trabajo que intentaba poner atención a la necesidad de tener conocimiento de las emisiones de los lanzamientos y su impacto de cara a un número creciente de los mismos.

Imagen | NASA Commons